นับตั้งแต่ทศวรรษ 1980 เป็นต้นมา ความหนาแน่นของการรวมวงจรไฟฟ้าเพิ่มขึ้นในอัตราปีละ 1.5 เท่าหรือมากกว่านั้น การรวมวงจรที่สูงขึ้นนำไปสู่ความหนาแน่นของกระแสไฟฟ้าที่มากขึ้นและการสร้างความร้อนในระหว่างการทำงานหากไม่ระบายความร้อนอย่างมีประสิทธิภาพ ความร้อนนี้อาจทำให้เกิดความเสียหายจากความร้อนและลดอายุการใช้งานของชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์ได้
เพื่อตอบสนองความต้องการด้านการจัดการความร้อนที่เพิ่มสูงขึ้น วัสดุบรรจุภัณฑ์อิเล็กทรอนิกส์ขั้นสูงที่มีค่าการนำความร้อนสูงจึงได้รับการวิจัยและพัฒนาอย่างกว้างขวาง
วัสดุผสมเพชร/ทองแดง
01 เพชรและทองแดง
วัสดุบรรจุภัณฑ์แบบดั้งเดิม ได้แก่ เซรามิก พลาสติก โลหะ และโลหะผสม เซรามิก เช่น BeO และ AlN มีค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อน (CTE) ที่เทียบเท่ากับสารกึ่งตัวนำ มีเสถียรภาพทางเคมีที่ดี และมีค่าการนำความร้อนปานกลาง อย่างไรก็ตาม กระบวนการผลิตที่ซับซ้อน ต้นทุนสูง (โดยเฉพาะ BeO ที่เป็นพิษ) และความเปราะบาง ทำให้การใช้งานมีข้อจำกัด บรรจุภัณฑ์พลาสติกมีต้นทุนต่ำ น้ำหนักเบา และเป็นฉนวน แต่มีค่าการนำความร้อนต่ำและไม่เสถียรที่อุณหภูมิสูง โลหะบริสุทธิ์ (Cu, Ag, Al) มีค่าการนำความร้อนสูงแต่มีค่า CTE สูงเกินไป ในขณะที่โลหะผสม (Cu-W, Cu-Mo) ทำให้ประสิทธิภาพทางความร้อนลดลง ดังนั้นจึงจำเป็นอย่างยิ่งที่จะต้องมีการพัฒนาวัสดุบรรจุภัณฑ์ใหม่ๆ ที่มีความสมดุลระหว่างค่าการนำความร้อนสูงและค่า CTE ที่เหมาะสม
| การเสริมแรง | ค่าการนำความร้อน (W/(m·K)) | CTE (×10⁻⁶/℃) | ความหนาแน่น (กรัม/ซม³) |
| เพชร | 700–2000 | 0.9–1.7 | 3.52 |
| อนุภาค BeO | 300 | 4.1 | 3.01 |
| อนุภาค AlN | 150–250 | 2.69 | 3.26 |
| อนุภาค SiC | 80–200 | 4.0 | 3.21 |
| อนุภาค B₄C | 29–67 | 4.4 | 2.52 |
| เส้นใยโบรอน | 40 | ~5.0 | 2.6 |
| อนุภาค TiC | 40 | 7.4 | 4.92 |
| อนุภาค Al₂O₃ | 20–40 | 4.4 | 3.98 |
| หนวด SiC | 32 | 3.4 | – |
| อนุภาค Si₃N₄ | 28 | 1.44 | 3.18 |
| อนุภาค TiB₂ | 25 | 4.6 | 4.5 |
| อนุภาค SiO₂ | 1.4 | <1.0 | 2.65 |
เพชรหินชนิดนี้เป็นวัสดุธรรมชาติที่แข็งที่สุดเท่าที่รู้จัก (ระดับความแข็งโมห์ 10) และยังมีคุณสมบัติพิเศษอีกด้วยค่าการนำความร้อน (200–2200 W/(m·K)).
ผงเพชรขนาดเล็ก
ทองแดง, กับ ค่าการนำความร้อน/ไฟฟ้าสูง (401 วัตต์/(เมตร·เคลวิน))คุณสมบัติเด่น เช่น ความยืดหยุ่น และความคุ้มค่า ทำให้มีการใช้งานอย่างแพร่หลายในวงจรรวม (ICs)
เมื่อรวมคุณสมบัติเหล่านี้เข้าด้วยกันเพชร/ทองแดง (Dia/Cu) คอมโพสิตวัสดุที่ใช้ทองแดงเป็นเมทริกซ์และเพชรเป็นวัสดุเสริมแรง กำลังกลายเป็นวัสดุจัดการความร้อนรุ่นใหม่
02 วิธีการผลิตหลัก
วิธีการทั่วไปในการเตรียมเพชร/ทองแดง ได้แก่ โลหะวิทยาผง วิธีการอุณหภูมิสูงและความดันสูง วิธีการหลอมจุ่ม วิธีการเผาผนึกด้วยพลาสมาแบบปล่อยประจุ วิธีการพ่นเย็น เป็นต้น
การเปรียบเทียบวิธีการเตรียม กระบวนการ และคุณสมบัติที่แตกต่างกันของวัสดุคอมโพสิตเพชร/ทองแดงขนาดอนุภาคเดี่ยว
| พารามิเตอร์ | โลหะวิทยาผง | การอัดร้อนแบบสุญญากาศ | การเผาผนึกด้วยพลาสมาประกายไฟ (SPS) | ความดันสูงและอุณหภูมิสูง (HPHT) | การพ่นเย็น | การแทรกซึมของหลอมเหลว |
| ประเภทเพชร | เอ็มบีดี8 | เอชเอฟดี-ดี | เอ็มบีดี8 | เอ็มบีดี4 | พีดีเอ | MBD8/HHD |
| เมทริกซ์ | ผงทองแดง 99.8% | ผงทองแดงอิเล็กโทรไลต์ 99.9% | ผงทองแดง 99.9% | ผงโลหะผสม/ทองแดงบริสุทธิ์ | ผงทองแดงบริสุทธิ์ | ทองแดงบริสุทธิ์แบบก้อน/แท่ง |
| การปรับเปลี่ยนอินเทอร์เฟซ | – | – | – | บี, ไท, ซิลิกา, โครเมียม, เซอร์โคเนียม, ทังสเตน, โมลิบเดนัม | – | – |
| ขนาดอนุภาค (ไมโครเมตร) | 100 | 106–125 | 100–400 | 20–200 | 35–200 | 50–400 |
| สัดส่วนปริมาตร (%) | 20–60 | 40–60 | 35–60 | 60–90 | 20–40 | 60–65 |
| อุณหภูมิ (°C) | 900 | 800–1050 | 880–950 | 1100–1300 | 350 | 1100–1300 |
| ความดัน (MPa) | 110 | 70 | 40–50 | 8000 | 3 | 1–4 |
| เวลา (นาที) | 60 | 60–180 | 20 | 6–10 | – | 5–30 |
| ความหนาแน่นสัมพัทธ์ (%) | 98.5 | 99.2–99.7 | – | – | – | 99.4–99.7 |
| ผลงาน | ||||||
| ค่าการนำความร้อนที่เหมาะสมที่สุด (W/(m·K)) | 305 | 536 | 687 | 907 | – | 943 |
เทคนิคการผสม Dia/Cu ทั่วไป ได้แก่:
(1)โลหะวิทยาผง
ผงเพชร/ทองแดงผสมถูกอัดและเผาผนึก แม้ว่าวิธีนี้จะประหยัดต้นทุนและเรียบง่าย แต่ก็มีข้อจำกัดด้านความหนาแน่น โครงสร้างจุลภาคไม่สม่ำเสมอ และขนาดของชิ้นงานที่จำกัด
Sหน่วยฝึกงาน
(1)ความดันสูงและอุณหภูมิสูง (HPHT)
การใช้เครื่องอัดแบบหลายแท่นกด ทำให้ทองแดงหลอมเหลวแทรกซึมเข้าไปในโครงสร้างผลึกเพชรภายใต้สภาวะสุดขั้ว ส่งผลให้ได้วัสดุคอมโพสิตที่มีความหนาแน่นสูง อย่างไรก็ตาม กระบวนการ HPHT ต้องใช้แม่พิมพ์ที่มีราคาแพงและไม่เหมาะสำหรับการผลิตในปริมาณมาก
Cสำนักพิมพ์ยูบิค
(1)การแทรกซึมของหลอมเหลว
ทองแดงหลอมเหลวแทรกซึมเข้าไปในโครงสร้างเพชรโดยอาศัยแรงดันหรือแรงดึงดูดของเส้นเลือดฝอย วัสดุผสมที่ได้มีค่าการนำความร้อนมากกว่า 446 วัตต์ต่อเมตรเคลวิน
(2)การเผาผนึกด้วยพลาสมาประกายไฟ (SPS)
กระแสไฟฟ้าแบบพัลส์ช่วยเผาผนึกผงผสมอย่างรวดเร็วภายใต้แรงดัน แม้ว่าจะมีประสิทธิภาพ แต่ประสิทธิภาพของ SPS จะลดลงเมื่อสัดส่วนของเพชรเกิน 65% โดยปริมาตร
แผนภาพแสดงระบบการเผาผนึกด้วยพลาสมาแบบปล่อยประจุ
(5) การตกตะกอนแบบพ่นเย็น
ผงวัสดุจะถูกเร่งความเร็วและตกตะกอนลงบนพื้นผิว วิธีการใหม่นี้เผชิญกับความท้าทายในการควบคุมความเรียบของพื้นผิวและการตรวจสอบประสิทธิภาพทางความร้อน
03 การปรับเปลี่ยนอินเทอร์เฟซ
ในการเตรียมวัสดุคอมโพสิต การเปียกชื้นระหว่างส่วนประกอบเป็นสิ่งจำเป็นเบื้องต้นสำหรับกระบวนการคอมโพสิต และเป็นปัจจัยสำคัญที่ส่งผลต่อโครงสร้างส่วนต่อประสานและสถานะการยึดเกาะของส่วนต่อประสาน สภาวะที่ไม่เปียกชื้นที่ส่วนต่อประสานระหว่างเพชรและทองแดงนำไปสู่ความต้านทานความร้อนของส่วนต่อประสานที่สูงมาก ดังนั้น การวิจัยปรับปรุงส่วนต่อประสานระหว่างทั้งสองด้วยวิธีการทางเทคนิคต่างๆ จึงมีความสำคัญอย่างยิ่ง ปัจจุบัน มีวิธีการหลักสองวิธีในการปรับปรุงปัญหาของส่วนต่อประสานระหว่างเพชรและเมทริกซ์ทองแดง ได้แก่ (1) การปรับปรุงพื้นผิวของเพชร (2) การผสมโลหะของเมทริกซ์ทองแดง
แผนภาพแสดงขั้นตอนการดัดแปลง: (ก) การชุบโดยตรงบนพื้นผิวของเพชร; (ข) การผสมโลหะในเมทริกซ์
(1) การปรับเปลี่ยนพื้นผิวของเพชร
การเคลือบธาตุที่ออกฤทธิ์ เช่น Mo, Ti, W และ Cr บนชั้นผิวของเฟสเสริมแรงสามารถปรับปรุงคุณลักษณะของส่วนต่อประสานระหว่างเพชรกับวัสดุได้ ซึ่งจะช่วยเพิ่มการนำความร้อน การเผาผนึกจะช่วยให้ธาตุเหล่านี้ทำปฏิกิริยากับคาร์บอนบนพื้นผิวของผงเพชรเพื่อสร้างชั้นเปลี่ยนผ่านคาร์ไบด์ ซึ่งจะช่วยปรับสภาวะการเปียกของเพชรกับฐานโลหะให้เหมาะสม และการเคลือบยังสามารถป้องกันโครงสร้างของเพชรไม่ให้เปลี่ยนแปลงที่อุณหภูมิสูงได้
(2) การผสมโลหะของเมทริกซ์ทองแดง
ก่อนการแปรรูปวัสดุคอมโพสิต จะมีการเตรียมการผสมโลหะเบื้องต้นบนทองแดง ซึ่งสามารถผลิตวัสดุคอมโพสิตที่มีค่าการนำความร้อนสูงได้ การเติมธาตุที่ออกฤทธิ์ลงในเมทริกซ์ทองแดงไม่เพียงแต่ช่วยลดมุมการเปียกของเพชรและทองแดงได้อย่างมีประสิทธิภาพเท่านั้น แต่ยังสร้างชั้นคาร์ไบด์ที่ละลายได้ในเมทริกซ์ทองแดงที่ส่วนต่อประสานระหว่างเพชรและทองแดงหลังจากปฏิกิริยา ด้วยวิธีนี้ ช่องว่างส่วนใหญ่ที่มีอยู่ที่ส่วนต่อประสานของวัสดุจะถูกปรับเปลี่ยนและเติมเต็ม ทำให้ค่าการนำความร้อนดีขึ้น
04 บทสรุป
วัสดุบรรจุภัณฑ์แบบดั้งเดิมไม่สามารถจัดการความร้อนจากชิปขั้นสูงได้อย่างมีประสิทธิภาพ วัสดุคอมโพสิต Dia/Cu ที่มีค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อน (CTE) ที่ปรับได้และค่าการนำความร้อนสูงมาก ถือเป็นโซลูชันที่พลิกโฉมวงการอิเล็กทรอนิกส์ยุคใหม่
ในฐานะองค์กรไฮเทคที่บูรณาการอุตสาหกรรมและการค้า XKH มุ่งเน้นการวิจัยและพัฒนาและการผลิตวัสดุคอมโพสิตเพชร/ทองแดง และวัสดุคอมโพสิตเมทริกซ์โลหะประสิทธิภาพสูง เช่น SiC/Al และ Gr/Cu โดยนำเสนอโซลูชันการจัดการความร้อนที่เป็นนวัตกรรมใหม่ ด้วยค่าการนำความร้อนมากกว่า 900W/(m·K) สำหรับสาขาบรรจุภัณฑ์อิเล็กทรอนิกส์ โมดูลพลังงาน และอวกาศ
XKH'วัสดุคอมโพสิตลามิเนตหุ้มทองแดงลายเพชร:
วันที่เผยแพร่: 12 พฤษภาคม 2568